一種利用石墨烯構建的三維太赫茲超材料結構

一種利用石墨烯構建的三維太赫茲超材料結構

3月19日，中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室研究員范文慧課題組，在太赫茲超材料功能器件方面的最新研究成果，以Multiple plasmonic resonance excitations on graphene metamaterials for ultrasensitive terahertz sensing為題，在線發表在Carbon上，論文第一作者為博士研究生陳徐。


論文提出并研究了一種利用石墨烯構建的三維太赫茲超材料結構，通過與太赫茲波的相互作用，可以實現多個等離子體共振模式激發；論文首次提出將這種具有多個等離子體共振模式的三維超材料結構應用于太赫茲傳感，具有很高的傳感靈敏度，可實現多頻段太赫茲波超靈敏主動傳感和多頻帶完美吸收功能，為太赫茲傳感研究提供了一種創新方法。

太赫茲波主要指頻率在0.1THz——10THz的電磁波，位于紅外波與微波之間，處于宏觀電子學與微觀光子學的過渡區域，具有很多獨特特性，例如光子能量低、穿透性強、頻譜覆蓋有機分子和生物大分子的分子振動和轉動能級等，有助于開發全新的光譜分析和無損檢測技術，實現在材料特性檢測、微電子測試、醫學診斷、環境監控、化工和生物識別、軍事國防等方面的應用。


然而，自然界的常規材料很難在太赫茲頻段產生有效的電磁響應，在研制太赫茲功能器件、實現太赫茲波有效操控等方面遭遇諸多困難，限制了太赫茲技術和應用的發展，需要新的創新思路應對太赫茲頻段天然材料匱乏的問題。


通過人為設計單元尺寸在亞波長量級的微結構陣列，人工電磁超材料可以實現天然材料不具備的奇特物理性質（例如負折射率、超透鏡、完美吸收等），它的出現彌補了太赫茲頻段電磁材料的匱乏，可以有效控制太赫茲波的振幅、相位、偏振以及傳輸特性，為實現太赫茲頻段功能器件提供了有效途徑，有望從根本上突破太赫茲技術的發展瓶頸。作為單層碳原子排列的二維平面材料，石墨烯在光、電、力、熱等方面具有十分優異的性能，其在太赫茲頻段的電導率可以通過外加偏置電壓動態調節，因而在主動式太赫茲功能器件的研究開發方面前景廣闊。

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